在役混凝土梁桥时变可靠度评估技术研究综述.pdf
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1、公路 交通技术2 0 1 2年 1 2月 第 6期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t D e c 2 0 1 2 N o 6 在役混凝土梁桥时变可靠度评估技术研究综述 王鹏 , 王福敏 , 张力 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆4 0 0 0 6 7; 2 重庆大学, 重庆4 0 0 0 3 0 ) 摘要: 管理和养护桥梁需要准确把握线路上每座桥梁的现 实状态, 可靠度评估技术是达到这一 目的的有效途径。 总结在役混凝土梁桥研究中关于承载能力极限状态时变可靠度、 正常使用极限状态时变可靠度、
2、疲劳可靠度及 系统 可靠度等方面取得的成果, 分析各项研究中存在的不足和可能进一步发展的研 究方向, 为在役混凝土梁桥 时变可靠 度评估技 术的深入研 究提供借鉴 。 关键词: 在役混凝土梁桥 ; 时变可靠度 ; 评估技术 文章编 号 : 1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 2 】 0 6 0 0 5 7 0 6 中图分类号 : U 4 4 8 3 3 文献标识码 : A Su mma r y O f Re s e a r c h e s o n E v a l u a t i o n Te c h n iq u e f o r Ti me - v a r y i n g Re l
3、 ia b i l i t y o f l n - s e r v i c e Co n c r e t e Be a m Br i d g e s W ANG P e n g 一 W ANG Fu mi n ZHANG L i Abs t r a c t :Ma n a g e me n t a n d ma i n t e n a nc e o f b r i d g e s n e e d t o g r a s p c u r r e n t s t a t us o f e a c h brid g e a l o ng t h e l i n e a c c u r a t e l
4、 y,a n d t h e e v a l u a t i o n t e c h n i q u e f o r r e l i a b i l i t y i s a n e f f e c t i v e wa y t o r e a c h t h i s p u r po s e Th i s p a p e r s umma riz e s r e s u l t s o b t a i ne d f r o m t i me - v a r y i ng r e l i a b i l i t y a t e x t r e me s t a t u s o f b e a r
5、in g c a pa c i t y,t i me v a r y i n g r e l i a b i l i t y a t e x t r e me s t a t u s o f n o r ma l u s e, f a t i g ue r e l i a bi l i t y a n d s y s t e m r e l i a b i l i t y, e t c i n r e s e a r c h e s o n i n s e r v i c e c o n c r e t e b e a m b ridg e s , a n d a n a l y z e s
6、s h o rtc o mi n g s i n v a rio u s r e s e a r c h e s a n d r e s e a r c h d i r e c t i o n wi t h p o s s i b l e f ur t h e r de v e l o pme n t S O a s t o p r o v i d e a r e f e r e n c e for d e e p r e s e a r c h o n e v a l u a t i o n t e c h n i q u e s for t i me v a r y i n g r e l
7、 i a b i l i t y o f i n s e r v i c e c o nc r e t e be a m b r i d g e s Ke y wo r d s :i n s e r v i c e c o n c r e t e b e a m b rid g e;t i me v a ryi n g r e l i a b i l i t y;e v a l u a t i o n t e c h n i q u e 桥梁在使用过程 中, 由于承受车辆、 风、 地震等 外力的作用 , 以及受到环境、 有害化 学物质 的侵蚀 , 材料 的性能会不断退化 , 如混凝土碳化 、
8、裂缝 和钢筋 锈蚀等 , 导致其结构性能衰减。因此 , 许多在役桥梁 存在安全 隐患 , 影响到路网的畅通与运营的安全 。 在役桥梁安全问题已成为世界性的难题。以美 国为例, 据美联邦公路署( F H WA) 调查, 截止 2 0 0 6 年 , 美 国桥梁建造总数 为 5 9 6 8 0 8座 , 病害桥梁总数 为 1 5 3 8 7 9座 , 约 占2 5 8 。据有关调查统计 , 2 0 0 5 年以前 , 我国桥梁仅不足 5 处于“ 带病” 工作甚至 “ 危险” 状态 ; 2 0 0 6年以后 , 危桥数量明显增多 , 截止 2 0 0 7年 , 危 桥 已达 9 8 6万座 , 占总
9、数 的 1 7 3 , 桥 梁的总体技术状况堪忧。近年我国的公路桥梁及危 桥数量统计见图 1 。 大量工程实践表明, 桥梁维修费用的多少与维 基金项 目: 交通运输 部科技项 目( 2 0 1 0 3 1 8 7 4 0 0 0 8 ) 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 6 2 1 作者简介 : 王鹏 ( 1 9 7 3 一 ) , 男 , 山东省邹平县人 , 博士 , 副研究员 修时机的选择有很大关 系。国外学者 曾用“ 五倍定 律” _ 1 来形象地描述混凝土结构维修时机与维修费 用投入之间的关 系: 钢筋轻度锈蚀时采取措施需追 加维修费 5美元 , 混凝 土表面顺筋开裂时再采取措 施需
10、追加维修费 2 5 美元; 严重破坏时再采取措施需 追加维修费至少 1 2 5美元。由此可见 , 桥梁结构在 役期间, 有必要通过准确评估桥梁状态 、 适时维护、 建立结构安全性和经济性的平衡, 以使投入费用效 益最大化。欧洲于 2 0 0 2年启动了 1 6个国家参与 的 C O S T 3 4 5 公路工程结构评估研究项 目 J , 目的在于评 估在役桥梁 、 涵洞、 挡土墙 、 隧道等结构的实际状况 。 在役混凝土梁桥的评估具有以下特点 : 1 )在 役混凝土梁桥结构的行为 、 荷载、 环境条件等都是不 确定的; 2 )评估荷载效应时, 必须考虑新的预定使 用期是从结构已使用的时间到结构
11、期望寿命的时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 公路交通技术 2 0 1 2生 噩 I 监 ( a )按桥梁座数统计 ( b )按桥梁长度统计 图 1 近年我国的公路桥梁及危桥数量统计 问, 需对这期间的荷载进行预测 ; 3 )进行桥梁结构 分析时 , 必须考虑结构损伤等实际情况的影响 , 考虑 结构抗力的衰减。 在役混凝土梁桥评估技术需要研究 的是 : 桥梁 结构服役至某一时刻后 , 考虑环境和结构抗力 随时 间衰减等因素的影响, 在后续服役期内完成预定功 能的能力 , 因此属于时变可靠度 问题。 目前的研究 主要集中在承载能力极限状态时变可靠度、 正常
12、使 用极限状态时变可靠度 、 疲劳可靠度和系统可靠度 评估技术上。 1 承载能力极限状态的时变可靠度评估技术研究 在役? 昆凝土梁桥的承载能力极限状态可靠度需 要考虑钢筋截面积、 钢筋强度、 混凝土强度以及钢筋 与混凝土之间的粘结等随时间的变化, 此外还需考 虑荷载及荷载效应随时问的变化 , 并根据其继续使 用期进行荷载估算 。 从已有的研究成果看 , 在役混凝 土梁桥 的承载 力预测模型主要有 以下几种 : 1 )考虑钢筋锈蚀后截 面积随时间变化的承载力预测模型; 2 )考虑钢筋锈 蚀后截面积 、 强度 以及与混凝 土之 间的粘结性能 随 时间变化的承载力预测模 型; 3 )考虑混凝土强度
13、、 钢筋锈蚀后截面积 、 强度 以及与混凝土之间的粘结 性能随时间变化的承载力预测模型等 。如 1 9 9 8年 , Mi c h a e l l 4 提出将荷载 和抗力看成 随时问变化 的变 量 , 考虑恒载、 活载 、 活载发生率 、 钢筋强度损失率 、 退化开始时间以及抗力相关 系数等参数 , 分析在役 钢筋混凝土 T型简支梁 的时变可靠度。2 0 0 1年 , 刘 扬等 根据钢筋面积随时间的变化 , 建立钢筋整体 锈蚀和局部锈蚀 2种模型 , 研究交通状况 、 钢筋锈蚀 速度 、 活载参数 以及恒载参数对一座 服役公路钢筋 混凝土桥梁服役可靠度的影响。 还有学者通过引起钢筋锈蚀的因素研
14、究结构构 件的时变可靠度。如 2 0 0 1年 , 张宇贻 、 秦权等_ 6 根 据混凝土 中氯离子扩散及其 引起 的钢筋锈蚀 的机 理 , 建 立 钢 筋 混 凝 土 构 件 的蜕 化 模 型。并 运 用 Mo n t e C a r l o 方法计算了锈蚀钢筋混凝土构件在和平 稳 2项活荷载过程和随机恒荷载联合作用下的时变 失效 概率 。2 0 0 7年 , 王建秀 、 秦权 基于 国内外对 氯离子侵蚀和混凝土碳化环境下钢筋锈蚀速率的最 新研究成果 , 建立 了混凝土构件在氯离子侵蚀下考 虑坑蚀和在混凝土碳化下考虑平均锈蚀的弯 曲抗力 退化模型。 对于预应力混凝土梁桥的承载能力可靠度的研
15、究还不多。2 0 0 9年, 杜斌 、 赵人达 总结归纳 了混 凝土结构随时问衰减的 3种典型抗力概率模型 , 采 用 F O R M方法计算 各个跨径 T梁 以及 同种跨径梁 在不同抗力模 型下 的承载能力可靠指标。2 0 1 0年 , 闫磊 、 贺栓海 针对承载能力状态下 P c桥梁构件 的评估 , 借鉴现有耐久性研究成果及相关规程 , 建立 在役预应力混凝土梁桥构件受剪和受弯的抗力概率 模型。模型不仅考虑 了桥梁结构验算 系数 、 承载能 力恶化系数 、 混凝土截面折减系数 、 钢筋锈损率 、 锈 蚀钢筋强度降低系数 、 锈蚀钢筋与混凝 土协 同工作 系数、 管道偏差修正系数、 混凝土强
16、度修正系数, 同 时还考虑了抗力参数测试不定性影响的随机变量及 抗力计算模式不定性影响的随机变量 。建立了基于 评估基准期的汽车荷载效应及人群荷载效应 的概率 模型, 给出了构件承载能力可靠度 的分级标准 , 研究 并确立了在役预应力混凝土桥梁构件承载能力极限 状态可靠度的评估方法 。 目前在役混凝土梁桥时变可靠度评估主要集 中 加 m 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第6期 王鹏, 等: 在役混凝土梁桥时变可靠度评估技术研究综述 5 9 在承载能力问题 的研究上 , 且 主要针对钢筋混凝土 梁桥 , 针对预应力混凝 土梁桥 时变可靠度系统研
17、究 相对较少。在这些研究中, 大多数时变可靠度分析 模型和计算过程较为复杂 , 尚未形成公认的算法 , 不 便于工程应用。因此 , 需进一步研究既能充分反映 在役混凝土梁桥结构特点 , 并且又实用可行 的可靠 度评估方法, 特别是实用的时变可靠度分析模型。 2 正常使用极限状态的时变可靠度评估技术研究 正常使用极 限状态涉及 结构 的工作 条件 和性 能 , 是保证桥梁结构在服役期 间正常运营 的必要条 件。对结构在正常使用极限状态的时变可靠度进行 研究是可靠度评估的重要 内容 。目前 , 对于结 构正 常使用极限状态时变可靠度研究 尚处于探索阶段 , 理 论方法 尚不成熟 , 统计资料也不充
18、分 , 但 已引起重视。 对于在役钢筋混凝土桥梁 , 最大裂缝 宽度 和挠 度问题是正 常使用极 限状 态可靠度 首要关注 的焦 点。2 0 0 6年 , 孙晓燕等 。 。 以钢筋混凝土最大裂缝宽 度作为构件正常使用状态的分析对象, 建立了混凝 土构件在正常使用极 限状态下的可靠度模 型, 并 根 据一座实际桥梁 的检测资料进行可靠度计算 , 研 究 正常使用极限状态下, 各因素对钢筋混凝土梁可靠 指标 的影响 。 对于在役预应力混凝土梁桥而言, 在正常使用 极限状态下 , 抗裂性 、 挠度 问题 同样应 给予重点关 注 , 此外有效预应力也是影 响结构可靠度的重要参 数之一 , 因此预应力混
19、凝土结构 中有效预应力 的测 试评估就显得尤为重要。 2 0 0 8年 , 郭琦、 贺栓海 基于截面分析的方法 , 开展了关键测试截面的有效预应力衰减程度整体化 评价方法研究, 建立了有效预应力整体衰减评价理 论与方法。2 0 1 0年 , 闫磊 、 贺栓 海 利用 自主开发 的预应力钢束张力测试仪采集了有效预应力的随机 样本 , 对钢束有效预应力 的分布规律和统计参数进 行 了研究。试验发现 , 经 检验 , 有效预应力统计 参数 服从正态分布 , 即 N( 0 9 7 , 0 0 9 ) , 以 分位值 0 7 5 为依据, 给出 的代表值为 0 9 1 。进 而针对正常使用极限状态下的服
20、役预应力混凝土桥 梁全预应力 构件及 A类 ( 荷 载短期效 应组合 作用 下 , 控制截 面受 拉边缘拉应力不超 过规定 限值 ) 构 件 , 以应力失效准则为依据 , 利用可靠度方法对 主梁 正截面上下缘有效应 力抗力概率模 型、 恒载效应概 率模型 、 汽车和人群荷载效应概率模型进行 了研究 , 提出了可靠度评估流程并给出了最低可靠指标和预 应力混凝土梁桥构件正常使用极 限状态可靠度 的评 估方法。 但上述研究中 , 裂缝 、 挠度等荷载效应的计算大 都是直接套用设计规范中的公式, 而抗力效应, 即裂 缝 、 挠度 、 应力等的限值都是直接取用规范规定的允 许值 , 难以充分利用结构 自
21、身的信息 , 也不能很好地 描述和处理 正常使用极 限状 态失效准则 的不确定 性。因此 , 需要对在役混凝土梁桥 的正常使用极 限 状态可靠度评估方法作进一步的研究和探讨 。 3 疲劳可靠度评估技术研究 疲劳累积损伤理论包含线性累积损伤和修正线 性累积损伤理论, 后者认为构件在各个应力下的疲 劳损伤须考虑应力之间的相互作用。对于桥梁结构 来说 , 其所受的交通荷载近似为平稳随机过程 , 所以 可以忽略荷载的加载顺序 , 一般采用 M i n e r 准则 , 不 考虑应力之间的相互作用以及低于疲劳极限应力下 应力 的影响。 1 9 9 8年 , C s a r等 在总结 已有研究成果 的基
22、础上 , 建立 了预应力钢筋混凝土梁桥 的疲劳分 析模 型 , 该模型包括了几何尺寸和力学变量的不确定性 , 考虑了车辆荷载作用、 环境温度影响、 差异沉降, 以 及外荷载作用引发裂缝后的非线性行为。他们用 5 一 ( 单轴应力一 循环次数 ) 曲线 和“ P a l g r e m M i n e r 损伤假设” 定义钢筋和预应力钢束 的疲 劳强度 , 其 中在定义后张预应力钢束疲劳强度时考虑了磨损影 响 , 进而采 用 We i b u l 1 分布描述钢筋及 预应力钢束 疲劳强度 的不确定性 , 得 到 了疲劳极 限状 态函数。 最后 , 对磨损条件下影响后张预应力钢束疲劳强度 的变量给
23、出了统计定义。通过 s 一 曲线 的变化得 到破坏状态下 Mi n e r 随机可变 损伤的变化, 进而提 出计算累积分布函数参数 的模型。并用上述方法对 一 座预应力混凝土梁桥进行了疲劳可靠度评估 。 2 0 0 2 年, 赵尚传、 赵国藩等 基于材料的 s 一 , 曲线和 Mi n e r 线 性累积损伤准则 , 以结构的极 限疲 劳循环次数作为随机变量 , 基于可靠度理论提 出了 在役结构疲劳寿命 的预测方法 , 分析 了多种工况下 结构在未来服役期的疲劳可靠度和剩余寿命。2 0 1 1 年, 朱红兵、 余志武 通过对公路桥梁空心板梁、 T 梁模型的等幅疲劳试验、 变幅疲劳试验及随机加载
24、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 公路交通技术 2 0 1 2丘 疲劳试验 , 研究 了混凝土梁应力幅值 、 加载上 限、 截 面型 式 、 加 载方 式 等对 疲 劳试 验 的影 响, 并基 于 Mi n e r 准则和 C o r t e n D o l a n准则 , 推导出多级变幅荷 载或随机荷载的等效等幅疲劳应力幅值计算公式及 用于疲劳验算或疲劳寿命评估的方法。 对于腐蚀环境中的混凝土梁桥, 腐蚀作用不仅 使钢筋 、 预应力钢束的有效截面面积减少 , 而且腐蚀 的不均匀性会导致其 出现应力集 中, 对结构疲劳性 能带来不利影响。在腐蚀预应力混凝
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